基于异质结的铁电电容型光电探测器件及其制备和应用

本发明属于微电子器件，涉及光电探测器件，特别涉及一种基于异质结的铁电电容型光电探测器件及其制备和应用。

背景技术：

1、目前主流的光电探测器件为电阻型探测器，其原理是：当入射光的光子能量超过半导体材料的禁带宽度时，入射光子的能量被半导体材料吸收，价带电子发生跃迁，形成电子空穴对，进而改变半导体的电阻值，利用不同阻值半导体在外加偏置下可产生不同的读取电流，实现光探测。但是这种电阻型光电探测器件的泄漏电流不可避免会导致额外的静态功耗，严重降低了它的能效效益。并且，当前商业化的高速低噪声光电探测器件主要由一些传统的iii-va或ii-via族半导体材料构成，并占据着市场的主导地位，例如，用于可见-近红外波段(0.78-1.0μm)的光电探测器件主要由硅(si)、锗(ge)、铟镓砷(ingaas)等半导体材料等构成，然而这些半导体材料的禁带宽度有限，因此制作而成的光电探测器件吸收边无法覆盖中红外波段。由于材料本身受到限制，改善探测器半导体材料结构成为了红外技术进一步发展的突破点。另外，目前光电探测器件常用的量子阱结构是一种夹层超晶格，其探测机理与传统探测器截然不同，它是靠一个量子阱结构中光子和电子之间的量子力学相互作用来完成探测。然而，由于该结构以及材料本身受到的限制，入射到光电探测器件的光信号并非都能被半导体材料吸收进而产生光生载流子，并且半导体内部产生的光生电子和光生空穴并非都能被电极收集最终产生光电流，因此，当入射到光电探测器件的光信号比较微弱的时候，光电探测器件往往不能做出反应，进而使光电探测器件的灵敏度大大下降。因此，现有的中红外光电探测器件的以上种种局限限制了中红外探测技术的发展。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于异质结的铁电电容型光电探测器件及其制备和应用，以期实现中红外宽光谱检测功能，同时利用半导体构成的异质结构大大提高光电探测器件的探测灵敏度，且具备低功耗和高集成度特性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于异质结的铁电电容型光电探测器件，包括自下而上依次设置的底电极、半导体层、铁电介质层和顶电极；所述顶电极采用透明导电材料；所述半导体层由依次设置的gesn层和sigesn层组成；

4、其中，所述gesn层和sigesn层均采用p型材料，所述gesn层位于sigesn层下方，与所述sigesn层形成sigesn/gesn异质结，所述顶电极施加正向电压；或，所述gesn层和sigesn层均采用n型材料，所述gesn层位于sigesn层上方，与所述sigesn层形成gesn/sigesn异质结，所述顶电极施加负向电压；

5、光电探测信息通过耗尽层电容状态表征：其中，无光信号情况下，无极化翻转电流，耗尽层电容为低电容状态；有光信号情况下，产生极化翻转电流，耗尽层电容呈高电容状态；所述耗尽层电容为半导体层与所述铁电介质层的接触界面处的耗尽层产生的电容。

6、在一个实施例中，所述光信号为中红外波段光信号或包含中红外波段光信号。

7、在一个实施例中，所述底电极的材料采用金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种；所述铁电介质层的材料采用hyo、hzo、hso、hao、bfo、pzt、bst、znsno3中的任意一种。

8、在一个实施例中，所述透明导电材料为ito或pedot。

9、在一个实施例中，所述gesn层和sigesn层的厚度范围均为200-250nm，铁电介质层的厚度范围为50-70nm。

10、在一个实施例中，在无光信号情况下，所述sigesn/gesn异质结的界面处形成耗尽区，所述gesn层和sigesn层均采用p型材料时，最终形成由p型sigesn指向p型gesn的内建电场；所述gesn层和sigesn层均采用n型材料时，最终形成由n型gesn指向n型sigesn的内建电场；所述内建电场被配置为在光照条件下定向分离光生载流子，以增大所述半导体层中的少数载流子浓度，进而加大铁电介质层中极化电荷的响应强度。

11、在一个实施例中，所述gesn层和sigesn层均采用p型材料时，gesn和sigesn的掺杂元素为硼，掺杂浓度为1018cm-3；所述gesn层和sigesn层均采用n型材料时，掺杂元素为磷，掺杂浓度为1018cm-3。

12、本发明还提供了所述基于异质结的铁电电容型光电探测器件的制备方法，包括如下具体步骤：

13、1)利用原子层淀积工艺，当所述gesn层和sigesn层均采用p型材料，则在gesn层上方淀积sigesn层，形成半导体层；当所述gesn层和sigesn层均采用n型材料，则在sigesn层上方淀积gesn层，形成半导体层；

14、2)利用磁控溅射或原子层沉积工艺，在半导体层上方淀积一层铁电材料，形成铁电介质层；

15、3)利用溅射工艺，在铁电介质层上方生长一层透明导电材料，形成顶电极；

16、4)利用溅射工艺，在半导体层下方生长一层电极材料，形成底电极。

17、在一个实施例中，步骤3)和步骤4)所述的溅射工艺，是先对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为300w-400ww、氩气压力为5毫托条件下进行溅射形成顶电极和底电极。

18、本发明所述基于异质结的铁电电容型光电探测器件可用于夜视成像设备。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、第一方面，本发明利用光电调控铁电介质层的电极化状态，进而编辑半导体层的耗尽层电容状态，通过半导体层的耗尽层电容状态表征光电探测器件的探测信息，从而使探测器具有光信号感知功能，因该探测器为电容型探测器，具有零静态功耗的显著优势。

21、第二方面，本发明利用带隙较小的半导体材料构成异质结构，在实现更大光谱检测范围的同时，依靠其内部形成的内建电场的牵引力将光生载流子进行有效分离，使靠近铁电介质层的半导体中少数载流子浓度急剧上升，加大铁电介质层中极化电荷响应强度，因此，当入射光信号比较微弱的时候，光电探测器件仍能做出反应，从而使探测器灵敏度提高。

技术特征：

1.一种基于异质结的铁电电容型光电探测器件，其特征在于，包括自下而上依次设置的底电极(1)、半导体层、铁电介质层(4)和顶电极(5)；所述顶电极(5)采用透明导电材料；所述半导体层由依次设置的gesn层(2)和sigesn层(3)组成；

2.根据权利要求1所述基于异质结的铁电电容型光电探测器件，其特征在于，所述光信号为中红外波段光信号或包含中红外波段光信号。

3.根据权利要求1所述基于异质结的铁电电容型光电探测器件，其特征在于，所述底电极(1)的材料采用金属钨、金属钛、金属铜、金属铝、金属铂、金属铱、金属钌、氮化钨、氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌、碳化钨、碳化钛、硅化钨、硅化钛和硅化钽中的任意一种；所述铁电介质层(4)的材料采用hyo、hzo、hso、hao、bfo、pzt、bst、znsno3中的任意一种。

4.根据权利要求1所述基于异质结的铁电电容型光电探测器件，其特征在于，所述透明导电材料为ito或pedot。

5.根据权利要求1所述基于异质结的铁电电容型光电探测器件，其特征在于，所述gesn层(2)和sigesn层(3)的厚度范围均为200-250nm，铁电介质层(4)的厚度范围为50-70nm。

6.根据权利要求1所述基于异质结的铁电电容型光电探测器件，其特征在于，在无光信号情况下，所述sigesn/gesn异质结的界面处形成耗尽区，所述gesn层(2)和sigesn层(3)均采用p型材料时，最终形成由p型sigesn指向p型gesn的内建电场；所述gesn层(2)和sigesn层(3)均采用n型材料时，最终形成由n型gesn指向n型sigesn的内建电场；所述内建电场被配置为在光照条件下定向分离光生载流子，以增大所述半导体层中的少数载流子浓度，进而加大铁电介质层(4)中极化电荷的响应强度。

7.根据权利要求1所述基于异质结的铁电电容型光电探测器件，其特征在于，所述gesn层(2)和sigesn层(3)均采用p型材料时，gesn和sigesn的掺杂元素为硼，掺杂浓度为1018cm-3；所述gesn层(2)和sigesn层(3)均采用n型材料时，掺杂元素为磷，掺杂浓度为1018cm-3。

8.权利要求1所述基于异质结的铁电电容型光电探测器件的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

9.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于，步骤3)和步骤4)中所述的溅射工艺，是先对反应腔体抽真空，直至反应腔体中的真空压强到达0.02托，再在溅射功率为300w-400ww、氩气压力为5毫托条件下进行溅射形成顶电极(5)和底电极(1)。

10.权利要求1所述基于异质结的铁电电容型光电探测器件用于夜视成像设备的应用。

技术总结
一种基于异质结的铁电电容型光电探测器件，包括依次设置的底电极、GeSn层、SiGeSn层、铁电介质层和顶电极；GeSn层与SiGeSn层形成SiGeSn/GeSn异质结，即半导体层；光电探测信息通过耗尽层电容状态表征：其中，无光信号情况下，无极化翻转电流，耗尽层电容为低电容状态；有光信号情况下，产生极化翻转电流，耗尽层电容呈高电容状态；耗尽层电容为SiGeSn/GeSn异质结构成的半导体层与铁电介质层的接触界面处的耗尽层产生的电容，本发明实现了中红外宽光谱检测功能，同时利用半导体构成的异质结构大大提高光电探测器件的探测灵敏度，且具备低功耗和高集成度特性。

技术研发人员：周久人,许克志,刘宁,韩根全
受保护的技术使用者：西安电子科技大学杭州研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13